Про первый в мире «водородный» самолет и разработку криогенных ГТД

В 2023 году исполнилось 35 лет со дня первого полета «летающей лаборатории» Ту-155, один из двигателей которого работал на водороде на всех режимах полета. Экспериментальный самолет был создан на базе обычного Ту-154, установленный на нем уникальный силовой агрегат НК-88 успешно отработал в небе 5 полётов на жидком водороде с общей лётной наработкой 4 часа 27 минут в апреле-июле 1988 года. Затем тот же двигатель был доработан для использования в качестве топлива сжиженного природного газа (СПГ), и с января 1989 по июль 1991 года на Ту-155 налетал 39 полётов на СПГ с общей лётной наработкой 43 часа 39 минут. Передовая разработка пришлась на начавшийся развал Советского Союза, поэтому финансирование программы и ее выполнение фактически оказались сорванными. Тем не менее, и в 1990-2000-х годах в значительной степени по инициативе головной организации «СНТК имени Кузнецова» (сегодня «Кузнецов» в составе ОДК) исследования продолжались. Так появились авиационный двигатель НК-89 и первый в мире индустриальный криогенный газотурбинный двигатель (ГТД) НК-361,

Наш самолет на водороде: Как это было

История этого проекта берет начало в 1974 году, когда на Куйбышевском моторном заводе стартовали работы по применению жидкого водорода в качестве топлива для авиационных ГТД. На предприятии создали экспериментальную базу, использовав бывшую криогенную стендовую инфраструктуру, оставшуюся после работ над ЖРД. В течение 6 лет сразу по трем двигателям (НК-8-2У, НК-22 и НК-144) удалось выйти на надежную работу с турбонасосной системой подачи жидкого водорода в основную и форсажную камеры. Госпрограммы носили название «Холод-1» и «Холод-2».

В 1980 году запустили программу по новому водородному ГТД НК-88 (на базе конструкции НК-8-2У), который должен был испытываться на опытном самолете Ту-155. Была создана наземная криогенная инфра­структура, которая позволила провести много­кратные заправки самолета Ту-155 жидким водородом, наземные испытания двигателя НК-88 на жидком водороде, а также испытания и техни­ческое обслуживание новых криогенных систем самолета и силовой установки. Основные характеристики Ту-155 были аналогичны базовому Ту-154Б. Объем бака для криогенного топлива — 20 кубометров, максимальная продолжительность полета на криогенном топливе — 120 мин. Удельный расход топлива при работе на водороде составлял:
0,22-0,296 кг/кгс.ч, тяга — 10,5 тонн.

15 апреля 1988 года в Жуковском состоялся первый полет самолета с работающим НК-88. Новый Ту-155 пилотировал заслуженный летчик-испытатель СССР Владимир Андреевич Севанькаев. В состав экипажа входили: заслуженный летчик-испытатель СССР Андрей Иванович Талалакин, бортинженер испытатель первого класса Анатолий Александрович Криулин, бортинженер испытатель первого класса Юрий Михайлович Кремлев, ведущий инженер-испытатель первого класса Валерий Владими­рович Архипов.

В июле 1988 года программа летных испытаний на жидком водороде была успешно завершена. Все 5 полетов самолета прошли без отказов материальной части штатных и экспериментальных систем. Затем началась новая программа – по использованию сжиженного природного газа (СПГ) – на двигателе НК-88 и летающей лаборатории Ту-155.

История с СПГ: От Ту-155 к Ту-156

18 января 1989 года в Жуковском в небо поднялся Ту-155, на борту которого стоял доработанный НК-88 для работы на природном газе. Программа полетов была обширной: самолет 39 раз поднимался в воздух до лета 1991 года, а двигатель без каких-либо проблем отработал 43 часа 39 минут. Опытная машина не только летала в небе СССР, были выполнены международные рейсы в 4 города Европы – Берлин, Ганновер, Братиславу и Ниццу.

Успех эксперимента привел к разработке нового самолета Ту-156, где уже предполагалось все три двигателя сделать двухтопливными (использование авиакеросина и сжиженного природного газа). Проектируемый двигатель получил название НК-89, а программа создания новой техники носила обозначение «Холод-5». Разрушение Советского Союза в 1991 году привело к прекращению реального финансирования работы.

В 1991-1993 годах заинтересовавшиеся в получении за копейки из умиравшей страны передовых технологий немцы из DASA (Airbus) и MTU решили немного вложиться в проект. Получив доступ к российским разработкам, европейцы летом 1993 года заявили о прекращении «совместных работ».

В апреле 1994 году Правительство России приняло постановление «О создании грузопассажирского самолёта Ту-156 с двигателями НК-89, работающими на криогенном топливе» восстановить прежние масштабы разработки не удалось – ельцинский проамериканский режим не был заинтересован в развитии страны, а собственные ресурсы предприятия «СНТК имени Н.Д. Кузнецова» были крайне слабыми. Но до 2004 года исследования все-таки велись, что позволило в 2005 году создать еще один интересный силовой криогенный агрегат, уже не для авиаторов, а для железнодорожников.

НК-361 и его возможности

В 2005-2007 годах на «Кузнецове», используя вышеописанные наработки прошлых лет по ГТД, создали НК-361 – первый в мире индустриальный криогенный газотурбинный двигатель, работающий на сжиженном природном газе. Его предназначением была работа в качестве силового блока мощностью 8,3 МВт для привода электрогенератора экспериментального газотурбовоза ГТ1-001 (локомотив разработали на предприятии РЖД – ВНИКТИ).

В 2008 году полностью функциональный газотурбовоз вышел на ходовые испытания, было построено 2 машины под обозначением «ГТ1-1h» и «ГТ1-2h». Оба газотурбовоза успешно прошли более 100 000 километров при наработке каждого из установленных НК-361 порядка 2500 часов.

Будущее

Как рассказал весной 2023 года на круглом столе об истории и перспек­тивах использования криогенных топлив в гражданской авиации генеральный директор ЦИАМ Андрей Козлов, имеющийся на совре­менном этапе развития отечественных технологий экспериментальный и научно-технический задел позволяет разработать в России уже не двухтопливный, а однотопливный водородный двигатель, которому не нужен керосин в качестве пускового топлива, и систему автоматического управления таким двигателем.

Глава ЦИАМ рассказал о ведущихся в последние годы исследованиях технологий для перспективных летательных аппаратов различного назначения в части разработки гибридных силовых установок на жидком водородном топливе. Работы проводятся до высокого уровня готовности технологий, создан и испытан ряд демонстраторов технологий маршевых и вспомогательных силовых установок, в том числе на летающих лабораториях. В планах – создание демонстратора гибридной силовой установки на жидком водороде мощностью до 2 МВт.

Также российские ученые исследуют авиационные твердополимерные топливные элементы и электри­ческие машины с использованием технологии высоко­температурной сверхпроводимости с приме­нением охлаждения жидким водородом. Испытания подтверждают жизнеспособность разработанных решений в части карди­нального улучшения удельных габаритно-массовых характеристик элементов и силовых установок в целом.